Des astronomes ont découvert le plus lointain trou noir à l’aube du cosmos
Des astronomes ont découvert le trou noir le plus éloigné confirmé à ce jour, à plus de 31 milliards d’années-lumière de la Terre. Cet objet et d’autres similaires pourraient enfin répondre à la question de savoir comment les trous noirs supermassifs sont devenus si énormes si rapidement dans l’univers primitif.
Il a été repéré dans une galaxie appelée UHZ1, 470 millions d’années seulement après le Big Bang, à une époque où l’Univers était encore tout jeune. En fait, nous sommes à un stade si précoce de l’Univers que le trou noir se trouve à un stade de développement jamais atteint auparavant : sa masse est similaire à celle de la galaxie qui se développe autour de lui.
Il est si éloigné, sa lumière a voyagé pendant 13,2 milliards d’années pour nous parvenir, qu’il a fallu la puissance combinée de l’observatoire à rayons X Chandra, du télescope spatial James Webb (JWST) et une bizarrerie de la relativité pour le trouver, tapi dans les profondeurs obscures du temps et de l’espace.
Image d’entête : une vue composite des données de l’observatoire Chandra de la NASA et du télescope spatial James Webb indiquant un trou noir en pleine croissance, 470 millions d’années seulement après le big bang. Il s’agit du plus ancien trou noir découvert à ce jour. (NASA/ CXC/ SAO; ESA/ CSA/ STScI)
Selon l’équipe dirigée par l’astrophysicien Akos Bogdan, du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian (CfA), cette découverte constitue une preuve essentielle du mode de formation des trous noirs supermassifs, qui nécessite l’effondrement gravitationnel direct d’un énorme nuage de gaz en un objet ultradense qui devient de plus en plus grand au fil du temps.
Formation d’une graine de trou noir à partir de l’effondrement direct d’un énorme nuage de gaz (NASA/ STSCI/ Leah Hustak)
Selon l’astrophysicien Andy Goulding, de l’université de Princeton (États-Unis) :
Il existe des limites physiques à la vitesse de croissance des trous noirs une fois qu’ils se sont formés, mais ceux qui naissent plus massifs ont une longueur d’avance. C’est comme planter un jeune arbre, qui met moins de temps à devenir un arbre de taille normale que s’il n’y avait qu’une graine.
Les trous noirs supermassifs ont ceci de particulier qu’ils sont presque incompréhensiblement énormes. Sagittarius A*, le trou noir supermassif situé au cœur de la Voie lactée, a une masse énorme de 4,3 millions de fois celle du Soleil.
Nous ne savons pas vraiment comment ces objets deviennent si gigantesques, mais un élément devient de plus en plus clair : ils sont beaucoup plus nombreux que prévu dans l’Univers primitif, et ils sont beaucoup trop massifs pour avoir grandi à ce point à partir d’un objet de la taille d’une étoile, si peu de temps après le Big Bang. La meilleure façon de comprendre ce qui se passe est de jeter un coup d’œil et de faire des déductions sur la base de ce que nous observons, mais cette première partie est beaucoup plus facile à dire qu’à faire.
L’aube cosmique, qui couvre le premier milliard d’années environ après le Big Bang, est en effet très éloignée, et toute lumière dans ces régions lointaines est très faible et très rouge, atténuée par l’étirement de l’espace-temps en expansion. Le JWST est le télescope spatial le plus puissant construit à ce jour, et il voit l’Univers dans cette lumière rouge. Mais ce n’est pas suffisant.
Pour repérer UHZ1, Bogdan et son équipe ont exploité une bizarrerie de la relativité appelée lentille gravitationnelle. Ces lentilles existent parce qu’une énorme quantité de gravité en un point, comme la gravité d’un amas de galaxies, fait que l’espace-temps lui-même se courbe autour de ce point. Toute lumière voyageant à travers cet espace-temps courbé depuis des parties plus éloignées de l’Univers peut être amplifiée, répliquée et déformée.
Schéma de la lentille gravitationnelle : de la droite vers la gauche, la lumière quitte une jeune galaxie en formation près de la bordure visible de l’univers. Une grande partie de la lumière passe à travers un objet massif tel qu’un grand regroupement de galaxies entouré de matière noire, directement dans la ligne de mire entre la Terre et la galaxie distante. La gravité de la matière noire agit comme une lentille, tordant la lumière arrivant. La plupart de la lumière est dispersée, mais une petite partie est concentrée et directement dirigée vers la Terre. Les observateurs verront plusieurs images déformées de la profonde galaxie. (M. T Robison/ REfT)
UHZ1 se trouve au-delà d’un amas de galaxies situé à environ 3,5 milliards d’années-lumière, appelé Abell 2744, dont la gravité a quadruplé la lumière d’UHZ1. Le JWST a ainsi pu discerner la lumière de la galaxie elle-même, et Chandra a pu distinguer le rayonnement X émis par le gaz tourbillonnant autour du trou noir supermassif situé en son centre.
À partir de cette lumière, Bogdan et son équipe ont estimé la masse du trou noir et de la galaxie qui l’entoure. Si le trou noir engloutit de la matière au maximum de ses capacités, sa masse se situe entre 10 et 100 millions de fois celle du Soleil. D’après les chercheurs, cela correspond à peu près à la masse des autres étoiles de la galaxie UHZ1 réunies.
En règle générale, le rapport entre la masse d’un trou noir et celle de la galaxie qui l’héberge est d’environ un demi pour cent. Les masses en jeu ici suggèrent que UHZ1 et son trou noir en sont encore au stade embryonnaire et que la graine du trou noir a dû se former à la suite d’un effondrement direct plutôt que d’une lente accrétion.
Pour l’astrophysicien Priyamvada Natarajan de l’université de Yale :
Nous pensons qu’il s’agit de la première détection d’un « trou noir de grande taille » et de la meilleure preuve obtenue à ce jour que certains trous noirs se forment à partir de nuages de gaz massifs. Pour la première fois, nous observons une brève période pendant laquelle un trou noir supermassif pèse environ autant que les étoiles de sa galaxie, avant de se laisser distancer.
Cela ne veut pas dire que le modèle d’accrétion lente ne peut pas être vrai, au moins pour certains trous noirs supermassifs. Mais les preuves s’accumulent et suggèrent que, dans l’Univers très ancien au moins, l’effondrement direct est le meilleur moyen de créer un trou noir supermassif.
Malgré tout, nous avons à peine effleuré la surface de ce que le JWST pourrait trouver dans l’Univers primitif. L’obscurité de l’aube des temps réserve sans doute d’autres surprises.
L’étude publiée dans Nature Astronomy et disponible en prépublication dans arXiv : Evidence for heavy seed origin of early supermassive black holes from a z~10 X-ray quasar et présentée sur le site de l’Observatoire Chandra : UHZ1: NASA Telescopes Discover Record-Breaking Black Hole.
